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膜层参数测试—透过率与反射率

时间:2024/10/13 15:51:46   作者:Leslie   来源:正势利   阅读:105   评论:0
内容摘要:1镀膜后的性能参数在本篇中,我们介绍镀膜后参数的测试,镀膜后元件表面的性能参数包括膜层的透光率T(Transmittance)、反射率R(Reflectance)、吸收A(Absorptance)等,另外,在特定应用下,膜层表面的散射特性S(Scatter)也需要做测试分析。透光率T,就是透过膜层的光强能量与入射光能量...

1   镀膜后的性能参数

     在本篇中,我们介绍镀膜后参数的测试,镀膜后元件表面的性能参数包括膜层的透光率T(Transmittance)、反射率R(Reflectance)、吸收A(Absorptance)等,另外,在特定应用下,膜层表面的散射特性S(Scatter)也需要做测试分析。

     透光率T,就是透过膜层的光强能量与入射光能量之比。反射率R,就是被膜层表面反射的光强能量与入射能量之比。吸收A,就是被膜层吸收掉的光能量与入射光能量之比。对于这三个参数,存在以下关系:

    T + R + A = 1

     即膜层的透过率、反射率和吸收之和,是常数1。意味着,光束在经过膜层后,一部分被透过去了,一部分被反射走了,剩下的就是被膜层吸收掉了。

      在光学元件图纸上,通常是对膜层表面的透过率或者反射率做要求,并且需要定义清楚应用状态下的光谱范围和入射角度。如果对偏振也有要求,则需要定义清楚偏振态的范围。做为一个例子,下图中的镀膜要求是,在770nm下,45度入射时,反射率需要不小于88%,并且在550nm波段,45度入射,透过率需要不小于70%。

膜层参数测试—透过率与反射率

       除了上述的光学性能外,光学膜层的机械和化学特性也是需要考虑的,包括膜层的耐磨性、牢固度、溶解度等。另外,镀膜后光学表面的质量也是需要考虑的,包括对麻点、划痕、脏污、迹等的要求等。

2   分光光度计的原理

      在本篇中,我们着重对膜层的光学性能的测试方法做介绍,实际中,主要采用分光光度计(Spectrophotometer)和椭偏仪(Ellipsometer)来对膜层参数做测试,分光光度计可以测试光学产品的透过率、反射率和吸收特性,椭偏仪可以测试膜层的厚度和偏振特性指标,两者的原理类似。

      此类设备的结构,可以分为光束发生通道和光束接收通道两部分,当需要测试元件的透过率时,元件放置在两通道的中间位置,使得光束穿过样品,当需要测试元件的反射率时,元件放置在两通道的同一侧,使得光束被样品反射。做为一个例子,分光光度计测试样品透过率的原理如下图所示:

膜层参数测试—透过率与反射率

      在上图中,左端是光束发生通道,采用一个宽光谱光源来发出光,然后经由光栅的分光和狭缝的选取,输出特定波长的光,光束经由准直镜1后,变成准直光束,后经过可以旋转角度的起偏器,变成偏振光,偏振光经过准直镜2汇聚后,由分光镜分成2束光,一束光被反射进入参考探测器,在此处采集到的光束用来做参考,以校正由于光源的波动产生的能量漂移,另一束光穿过被测样品后,经由准直镜3和准直镜4的整形,进入到最右端测试用的探测器中。实际测试时,通过将被测样品放入和取出,从而分别得到2个能量数值,对能量做对比,就可以获得样品的透过率大小。

      椭偏仪的原理与上述分光光度计原理类似,只是在光束发出通道和接收通道各增加了一个旋转的1/4波片做为补偿元件,在接收通道还增加了检偏器,从而可以更灵活的分析样品的偏振特性。有些情况下,椭偏仪也会直接采用宽光谱光源,并在接收端采用有狭缝和分光装置的光谱仪,结合线阵探测器,实现对元件的性能测试。

3   透过率的测试

      在做透过率测试时,为避免探测器接收面对光束的反射,常采用积分球来做为接收器,其原理如下图所示:

膜层参数测试—透过率与反射率

      上图可以看出,积分球是一个内壁涂有白色漫反射镀膜材料的空腔球体,球壁上开有窗孔,用作入射光的光孔和光探测器的接收孔,这样,进入积分球的光经过内壁涂层多次反射,在内壁上形成均匀照度,并被探测器接收。

     做为一个例子,一个用来测试光学平板透过率的装置结构如下图所示

膜层参数测试—透过率与反射率

      在上图中,被测样品放置在一个可以在x向和y向平移的调整台上,通过计算机控制调整台,可以实现样品任意位置的透过率测试。通过扫描测试,也可以得到整个平板玻璃的透过率分布图,测试的分辨率取决于光束的光斑大小。

4   反射率的测试

      对于光学膜层反射率的测量,通常有两种方式,一种是相对测量,一种是绝对测量。相对测量方法需要有一个反射率已知的反射镜做为基准,来做对比测试,实际中,随着膜层的老化或者污染,基准反射镜的反射率需要定期做校准,因此,该方法存在潜在的测量误差。绝对测量反射率的方法,需要在没有放入样品的情况下,校准测试装置的反射率,在下图中,给出了经典的V-W型装置的结构,以实现样品反射率绝对测量:

膜层参数测试—透过率与反射率

       上图的左图是一个类似V型的结构,由M1、M2和M3三个反射镜组成,首先测试并记录在此种模式下的光强值为P1,随后,在右图中,放入被测样品,并将M2镜旋转到上端位置,形成一个类似W型的结构,采集并记录此时的光强值P2,通过将P2与P1做比较,就可以获得被测样品的绝对反射率了。这种装置还可以做改进,例如,将被测样品也装上独立的旋转台,使得被测样品可以旋转到任意角度,通过将M2镜旋转到对应的反射位置,实现光束的输出,从而可以测试样品在多个角度下的反射率。

      做为一个例子,一个用来测试光学平板反射率的装置结构如下图所示:

膜层参数测试—透过率与反射率

     在上图中,被测样品放置在x/y平移调整台上,通过计算机控制调整台,可以实现样品任意位置的反射率测试。通过扫描测试,也可以得到整个平板玻璃的反射率分布图。

5   结语

      在本文中,我们对镀膜后光学表面透过率与反射率的测量方法做了介绍,本文首先介绍了镀膜后的性能参数指标,包括透过率、反射率和吸收的概念,以及它们间的相互关系,随后,介绍了分光光度计设备的原理,以使得大家对该仪器有初步的了解,在文章的第三和第四部分,我们分解介绍了积分球的原理、元件透过率的测量方法和膜层反射率的测量方法,并主要介绍了反射率的绝对测量方法和对应的装置,从而使大家对这方面有更多的认识。


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